Im Jahr 1820 führte Hans Christian Oersted ein wichtiges Experiment durch, das zeigte, dass es einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus gab. Als ein Strom durch einen Draht eingeschaltet wurde, brachte er eine Kompassnadel dazu, sich so zu drehen, dass sie im rechten Winkel zum Draht stand. Der Strom hatte ein Magnetfeld erzeugt, das stark genug war, um die Kompassnadel zum Drehen zu bringen.
Hintergrund des Experiments
Es war bereits bekannt, dass ein elektrischer Strom in einem Draht eine Heizwirkung hat und den Draht zum Glühen bringen kann. Dies zeigte, dass die drei Phänomene Elektrizität, Heizung und Beleuchtung zusammenhängen.
Wissenschaftler versuchen, scheinbar unterschiedliche Phänomene zu „vereinheitlichen“, indem sie die ihnen zugrunde liegenden Ursachen finden.
Frage: Wie kann man zeigen, dass ein elektrischer Strom eine Wärmewirkung hat und auch zu Licht führen kann?
Antwort: Siehe Experiment
Wärmewirkung eines Stroms.
Es war auch bekannt, dass, wenn ein Blitz, eine Form von Elektrizität, in ein Schiff einschlug, der Kompass des Schiffes beeinflusst werden konnte – seine Polarität konnte umgekehrt werden.
Frage: Worauf deutet das hin?
Antwort: Es gibt einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus.
Wissenschaftler stützen sich auf Beweise aus dem täglichen Leben; sie versuchen, die Beweise durch Experimente zu verstehen.
Wie konnte dieser Zusammenhang im Labor nachgewiesen werden?
Experimentatoren stellten sich vor, dass, wenn ein elektrischer Strom entlang eines geraden Drahtes fließt, das von ihm erzeugte Magnetfeld in dieselbe Richtung gehen würde. Also stellten sie ihre Kompassnadeln im rechten Winkel zum Draht auf und dachten, sie würden durch den Strom so abgelenkt werden, dass sie parallel zum Draht stehen. Sie sahen keinen Effekt, weil, wie Oersted zeigen sollte, das erzeugte Magnetfeld im rechten Winkel zum Draht steht. Vorurteile hinderten die früheren Experimentatoren also daran, den Effekt zu erkennen. (Man beachte, dass die verfügbaren Geräte – typischerweise Voltaikpfähle – nur einen kleinen Strom erzeugen würden, so dass der Effekt in jedem Fall sehr schwach gewesen wäre.)
Experiment: Stelle einen Kompass in Nord-Süd-Richtung auf; lege einen Draht darüber, der in Ost-West-Richtung liegt. Anschließen an eine 1,5-V-Zelle. Es sollte kein Effekt auftreten.
Vorurteile (bestehende Ideen) können es schwierig machen, Fortschritte zu machen.
Oersteds Denken
Oersted stellte sich einen elektrischen Strom vor, der durch einen Draht „kämpft“. Dieser „Konflikt“ führte beim Fließen zu „Wärme“ (oder Infrarotstrahlung, wie wir sie heute verstehen) und Licht, das vom Draht weggestrahlt wurde. Könnte dies nicht auch zu einem Magnetfeld führen, das wegstrahlt?
Eine Idee führt zu einer anderen, die dann getestet werden kann.
Frage: Wie würdest du Magnetfeldlinien zeichnen, um die Idee von Oersted darzustellen?
Antwort: Strahlend vom Draht aus.
Frage: Wie sollte sich eine Kompassnadel verhalten, wenn diese Idee richtig ist?
Antwort: Man könnte erwarten, dass sie radial zum Draht zeigt. Versuchen Sie es, und der Magnet tut dies nicht. Magnetfeldlinien strahlen also nicht von einem stromdurchflossenen Draht aus.
Oersteds Experiment
Oersted demonstrierte der Öffentlichkeit den Zusammenhang zwischen Elektrizität, „Wärme“ und Licht. Er schloss einen Voltakolben an einen Platindraht an und zeigte, dass dieser heiß wurde und glühte.
Während er seinen Vortrag hielt, kam ihm die Idee einer Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus wieder in den Sinn. Da er einen Kompass zur Hand hatte (für andere Experimente, die er vorführen wollte), beschloss er, seine Idee gleich zu testen.
Experiment: Baue das vorherige Experiment auf, aber mit dem Draht in Nord-Süd-Richtung über dem Kompass, parallel zur Kompassnadel. Einschalten – die Nadel dreht sich in Ost-West-Richtung.
Siehe auch:
Oersteds Experiment.
Oersted kehrte den Strom um; die Nadel bewegte sich in die andere Richtung.
Der von Oersted und seinem Publikum beobachtete Effekt war gering; niemand war sehr beeindruckt. Oersted war sich bewusst, dass andere Wissenschaftler durch ähnlich schwer fassbare Phänomene abgelenkt worden waren, und es dauerte drei Monate, bis er mehr Zeit auf seine Entdeckung verwendete.
Wissenschaftler arbeiten oft an der Grenze der Empfindlichkeit ihrer Instrumente. Es kann sein, dass eine Technik stark verfeinert werden muss, bevor ein Phänomen zuverlässig beobachtet werden kann.
Was Oersted als Nächstes tat
Oersted zeigte, dass das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Draht kreisförmig ist; d.h. die Kraftlinien sind Kreise, die auf den Draht zentriert sind.
Experiment:
Magnetisches Feld aufgrund eines elektrischen Stroms in einem Draht.
Er zeigte weiter, dass ein dickerer Draht eine größere Wirkung erzeugt. Er zeigte auch, dass Materialien, die sich zwischen Draht und Kompass befanden, keine Wirkung hatten.
Frage: Warum?
Antwort: Ein dickerer Draht hat einen geringeren Widerstand, also einen höheren Strom. Nichtmagnetische Materialien haben keine Auswirkung auf ein Magnetfeld.
Im Juli 1820 schickte er eine 4-seitige Abhandlung über seine Ergebnisse in lateinischer Sprache an mehrere wissenschaftliche Zeitschriften.
Von Wissenschaftlern wird erwartet, dass sie ihre Ergebnisse so schnell wie möglich in Fachzeitschriften veröffentlichen. Im Jahr 1820 war Latein eine gemeinsame Sprache, die es Wissenschaftlern verschiedener Nationalitäten ermöglichte, die Arbeit der anderen zu verstehen.
Ampere las Oersteds Bericht und wiederholte innerhalb einer Woche die Beobachtungen und entwickelte eine mathematische Theorie, die beschreibt, wie das Magnetfeld von der Stärke des Stroms und dem Abstand zum Draht abhängt.
Wissenschaftliche Ergebnisse werden grundsätzlich von anderen Wissenschaftlern überprüft, die die Experimente wiederholen, um zu sehen, ob sie die gleichen Ergebnisse erhalten.
Oersted hatte ein experimentelles Phänomen beobachtet und beschrieben. Ampere führte es weiter aus, indem er eine mathematische Gleichung dafür aufstellte.
Frage: Oersted hatte gezeigt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld um sich herum hat. Welche praktischen Anwendungen wurden aus dieser Idee entwickelt?
Antwort: Elektromagnete, Motoren, Dynamos, Transformatoren usw.
Mehr über Oersted
Oersted gründete die Dänische Gesellschaft für die Verbreitung der Naturwissenschaften, eine Gesellschaft, die wissenschaftliche Ideen der breiten Öffentlichkeit vorstellen sollte. Oersted spielte auch eine Schlüsselrolle bei der Gründung der Technischen Universität Dänemarks, um die wissenschaftlichen Grundlagen des Ingenieurwesens zu verbessern.
Viele Wissenschaftler wollen ihre Arbeit einem größeren Publikum zugänglich machen. Sie wollen vielleicht auch den technologischen Nutzen ihrer Entdeckungen mit anderen teilen. Er beschrieb 1820, das Jahr seiner großen Entdeckung, als das glücklichste Jahr seines Lebens.
Wissenschaftler können große Freude an ihrer Arbeit haben.
Im Jahr 1802 veröffentlichte ein italienischer Rechtsanwalt namens Gian Domenico Romagnosi einen Bericht über eine ähnliche Beobachtung wie Oersted. Sein Artikel erschien jedoch in einer Zeitung und wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht aufgegriffen. Romagnosi scheint seine vorläufigen Erkenntnisse nicht weiterverfolgt zu haben.
In der Geschichte der Wissenschaft gibt es viele Beispiele für „Vorabansprüche“. In der Praxis geht die Anerkennung in der Regel an die Person, die einen sorgfältigen, detaillierten und wiederholbaren Bericht über ihre Beobachtungen veröffentlicht, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem andere Wissenschaftler für diese Idee bereit sind, und an einem Ort, an dem sie gelesen und ernst genommen wird.
Dankeschön
Wir danken David Sang, dem Autor dieser Fallstudie.